Полная версия

Главная arrow География arrow Биотехнология нефтедобычи: принципы и применение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Аэробные процессы в нефтяных пластах

Основными органическими соединениями пласта являются нефтяные углеводороды, в связи с этим разложение этих соединений становится одной из главных функций микроорганизмов, формирующих биоценоз в аэробной зоне биофильтра. Развитие аэробных и анаэробных процессов в нефтяном пласте находится в прямой зависимости от численности и активности углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), которые первыми атакуют компоненты нефти. Представление о численности У ОМ в пластовых условиях дает табл. 7. Как следует из нее, численность У ОМ в пластовых водах различных месторождений может достигать 104—105 кл/мл.

Таблица 7

Численность углеводородокисляющих микроорганизмов в пластовых водах различных месторождений

Месторождения

Численность УОМ, кл/мл

Апшеронское (Азербайджан)

ЇЇМ05

Бондюжское (РФ)

10-1,3-10°

Ромашкинское (РФ)

Пмо5

Казахстан и Зап. Сибирь (температура пласта >50-602С)

102-104

Мыхпайское (температура пласта >605С)

ЮМ О4

У ОМ представляют собой широкую группу микроорганизмов, характерной особенностью которых является способность использовать углеводороды нефти в качестве источника углерода и энергии. УОМ различных таксономических групп обеспечивают последовательное окисление нефтяных углеводородов. Основная роль в разложение углеводородов в пласте, представленных не растворимыми в воде соединениями, принадлежит микроорганизмам с липофильной клеточной стенкой. Хотя недавно и было показано, что разлагать углеводороды нефти могут и денитрифицирующие бактерии рода Бациллус, жизнедеятельность которых протекает в основном в анаэробных условиях, однако среди микроорганизмов, принимающих участие в разложении углеводородов, преобладают аэробные бактерии, представители родов Псевдо-монас, а также микоформы бактерий - родококки, нокардии, коринебак-терии, флавобактерии и др. Указанные группы микроорганизмов являются одними из основных деструкторов углеводородов в аэробных и микроаэрофильных зонах биофильтра.

В связи с тем, что для развития микроорганизмов необходима водная среда, в пласте развитие микроорганизмов происходит в зоне водонефтяного контакта, где водная фаза соприкасается с углеводородным субстратом. Здесь вода и нефть представлены в виде водонефтяной эмульсии. Распределение УОМ разных таксонов между водой и нефтью зависит от их особенностей. В силу различной степени гидрофобности клеточных стенок псевдомонады и микоформы бактерий занимают различные экологические ниши в пластовой жидкости. Первые, обладая более гидрофильной клеточной стенкой приурочены в основном к водной фазе, вторые, характеризующиеся значительной гидрофобностыо клеточных стенок, - к нефтяной (это так называемые «нефтеположительные» микроорганизмы).

Псевдомонады как г-стратеги характеризуются взрывным типом роста, наличием многофункциональных ферментных систем, они одними из первых активно заселяют неосвоенные местообитания. Их быстрое размножение в призабойной зоне нефтяного пласта связано с первичными стадиями формирования биофильтра. Высокая скорость роста, способность существовать также и в микроаэрофильных и выживать в анаэробных условиях определяет широкое распространение в пластовых водах псевдомонад. Кроме того, эти микроорганизмы являются всеядными и могут осуществлять разложение как легкодоступных органических соединений, например, углеводов, так и различных классов нефтяных углеводородов: парафинов, нафтеновых и ароматических, преимущественно более водорастворимых, а также продуктов их разложения.

Многие продукты биодеструкции нефтяных компонентов растворимы в воде, поэтому в пластовой воде находится больше сопутствующей микрофлоры, использующей продукты трансформации органических соединений нефтяного происхождения. К этой группе микроорганизмов кроме псевдомонад относятся т.н. олиготрофные микроорганизмы, которые удовлетворяются малым содержанием органических веществ в воде. Численность этой группы микроорганизмов может достигать 103—104 кл/мл.

Нокардии, микобактерии и другие микоформы бактерий могут развиваться непосредственно в нефтяных каплях, на поверхности нефтяных пленок, хотя при этом их клетки окружены водяной пленкой. Содержание УОМ в нефти может быть на 2-3 порядка выше, чем в пластовой воде. Накопление микробных клеток в нефти связано с липофильно-стыо клеточной стенки многих УОМ, что определяется наличием в их составе высокомолекулярных миколовых кислот. Поэтому значительная часть микроорганизмов, живущих в нефти, способна к окислению не растворимых в воде, более высокомолекулярных углеводородов.

Разложение углеводородов микроорганизмами происходит внутри микробной клетки, и для этого необходимо, чтобы соответствующий субстрат проник через клеточную оболочку. В связи с практической нерастворимостью углеводородов в воде активный рост микроорганизмов на средах с углеводородами возможен лишь при непосредственном контакте капель углеводорода и клеток и поступления его в клетку.

Контакт между клетками и углеводородными каплями является предварительным необходимым условием для микробного роста. Микробные клетки обволакиваются каплями углеводорода. Утолщенные клеточные стенки имеют выросты и пронизаны хорошо развитой сетью каналов. Первоначально углеводородные субстраты сорбируются в наружном полисахаридном слое клеточной стенки или растворяются в липидах. Способ переноса углеводорода внутрь клетки у псевдомонад и микоформ бактерий различен.

Клетки микоформ бактерий обладают липофильной поверхностью. Содержание липидов в поверхностных слоях клеток у этих групп микроорганизмов может достигать 30%. Поэтому у микоформ бактерий при контакте клеток с углеводородами последние растворяются в липофильных веществах клеточной стенки, обладающих поверхностно-активными свойствами. Клеточные ПАВ облегчают солюбилизацию молекул углеводородов и помогают их прохождению через клеточную мембрану во внутрь клеток.

В противоположность микоформам бактерий гидрофобность клеточных стенок псевдомонад в 3-4 раза ниже. В силу этого непосредственный контакт клеток псевдомонад с углеводородной фазой затруднен и поступление субстрата осуществляется путем эмульгирования его поверхностно-активными соединениями, выделяемыми этими микроорганизмами во внешнюю среду. В результате взаимодействия биоПАВ с углеводородом образуются ультрамикрокапли размером 1 мкм и меньше. Это позволяет судить о псевдорастворении или солюбилизации субстрата в воде. Псевдорастворение углеводородов в среде имеет важное

значение для микроорганизмов, у которых гидрофобность внешних стенок клетки слишком низка и которые в силу этого не могут поглощать субстрат непосредственно из водной фазы. Надо заметить, что во всех случаях при развитии микроорганизмов в среде с углеводородами происходит эмульгирование субстратов за счет липофильной поверхности клеточной оболочки или в результате действий биоПАВ, выделяемых ими в среду.

Составляющие нефть углеводороды являются веществами органического происхождения, поэтому они подвергаются активному микробному воздействию. Микробиологическое разложение углеводородов имеет ряд особенностей, одна из которых заключается в ступенчатом, последовательном их окислении комплексом аэробных и анаэробных микроорганизмов.

Углеводороды представляют собой предельно восстановленные органические соединения и могут окисляться микроорганизмами в основном в присутствии свободного кислорода воздуха, т.е. в аэробных условиях.

Характерной особенностью нефтяных веществ является их исключительная гетерогенность, обусловленная наличием органических соединений, заметно различающихся по химическому составу и строению. В связи с этим отдельные фракции нефти в неодинаковой степени подвергаются микробному разложению.

Пути окисления нормальных парафинов микроорганизмами, использующими эти соединения в качестве источников углерода и энергии, изучены достаточно подробно (Скрябин Г.К., Головлева Л.А., 1976).

Газообразные н-парафины могут потребляться рядом углеводород-окисляющих микроорганизмов, например родококками. Жидкие н-пара-фины от н-пентана до н-октана, как правило, трудно подвергаются микробному воздействию. Это связано со способностью этих углеводородов растворять клеточные мембраны или мембраносвязанные белки, особенно те, от которых зависит транспорт субстратов. Парафиновые углеводороды от н-нонана и выше наиболее легко подвергаются микробному разложению. Парафины изостроения разлагаются значительно труднее.

В преобладающем большинстве случаев в результате первичной ферментативной атаки молекулы н-парафина происходит окисление терминального атома углерода. Первыми стабильными продуктами окисления углеводородов являются первичные спирты.

Следующий этап составляют обычные биологические превращения спирта в альдегид и альдегида в кислоту. Общая схема реакций выглядит следующим образом:

К-СН2-СН3+ [О] > И-СНгСНгОН - 2Н > И-СН2-СНО - 2Н + НОН >

> Я-СН2-СООН

Дальнейший механизм усвоения жирных кислот, возникающих при окислении углеводородов, протекает путем р-окисления, заключающегося в последовательном отщеплении двууглеродных фрагментов в виде активного ацетата, поступающего в цикл трикарбоновых кислот.

К ароматическим относятся циклические углеводороды с сопряженной системой двойных связей. Типичный их представитель - бензол, толуол, ксилол:

НзС

бензол толуол п-ксилол

Эти вещества обладают сильно выраженным токсическим действием. На бензоле и толуоле развиваются Bacterium benzolicum и B.toluolicum, впервые описанные Таусоном. Эти соединения могут также использоваться некоторыми видами Mycobacterium, Nocardia и дрожжей. Менее токсичны и более подвержены воздействию микроорганизмов полициклические ароматические углеводороды: нафталин, фенан-трен, антрацен.

Эти вещества окисляются преимущественно представителями рода Pseudomonas, но их могут использовать отдельные виды Mycobacterium, Bacillus, Flavobacterium, Nocardia, Aspergillus, P?nicillium и др.

Ароматические углеводороды независимо от числа ядер окисляются до дифенолов, которые затем расщепляются с образованием алифатических дикарбоновых кислот, оксикислот, в конечном итоге до углекислоты и воды. Окислению подвергаются и нафтеновые углеводороды с расщеплением ядра.

При недостатке кислорода в среде могут накапливаться продукты неполного разложения: жирные, нафтеновые и ароматические кислоты, спирты и эфиры.

Углеводороды, растворимые в воде (метановые с длиной цепи до Сю/ ароматические), окисляются в основном микроорганизмами, представителями рода Pseudomonas, а микоформы бактерий используют в основном нерастворимые в воде углеводороды.

Участие У ОМ в круговороте углерода в нефтяном пласте не сводится только к преобразованию углеводородов. Эти микроорганизмы способны также использовать широкий спектр других органических соединений неуглеводородной природы, попадающих в пласт извне. Так, ряд бактерий, в частности псевдомонады и некоторые микоформы бактерий, осуществляют неполное окисление углеводов, которые могут накапливаться в среде. Конечные продукты «неполного» окисления - глюконовая, фумаровая, лимонная, молочная, уксусная кислоты и ряд других соединений.

Преобладающая часть У ОМ является мезофильными организмами. Разнообразие термофильных УОМ относительно невелико. Эти микроорганизмы разделяются на все основные группы. К первой группе относятся организмы, которые, за исключением н-алканов, не используют никаких других субстратов. Ко второй группе принадлежат организмы, потребляющие наряду с н-алканами также широкий круг других органических субстратов (Bacillus thermoleovorans).

Термофильные УОМ были обнаружены в нефтяных месторождениях, пластовая температура которых превышает 50—60еС, например полуострова Мангышлак и Западной Сибири. Численность этих бактерий в воде, извлекаемой из призабойной зоны нагнетательных скважин, достигает 104 кл/мл.

При разложении углеводородных и иных органических соединений в аэробной зоне биофильтра происходит интеграция функций с рядом других организмов, использующих продукты разложения, - микроорганизмами бродильного типа, метанобразующими и сульфатвосстанавли-вающими микроорганизмами, чья функциональная деятельность проявляется в анаэробной зоне.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>